JP2015227873A - 適応開口フェーズドアレイを用いたノイズソース分解システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】適応開口フェーズドアレイを用いたノイズソース分解システム及び方法を提供する。【解決手段】マイクロフォンの第1のアレイ102が、ノイズソース101の中心軸に平行な線に沿って開始ポジションから終了ポジションまで可動なプラットフォーム上に設置される。マイクロフォンの第2のアレイ103は、ノイズソースに対する離間された固定位置に設置された音センサを含む。処理システム104は、マイクロフォンの第1のアレイからの第1の情報、及び、マイクロフォンの第2のアレイからの第2の情報を処理する。処理システムは、第1の情報及び第2の情報を、第1のアレイの各離散的ステップにおいて収集し記憶し、第1の情報を空間フィルタリングし、フィルタされた第1の情報を、第2の情報に基づいて処理し較正し、更に、選択された位置における特性を取得するために、較正された第1の情報を処理する。【選択図】図1A

Description

本開示は、概して、ノイズソース分解に適応開口フェーズドアレイ(adaptable aperture phased arrays)を使用するシステム及び方法に関する。
ノイズ発生の背後にある物理現象を理解するために、ノイズの解析及びノイズソースや原因の解析が実施されることが多い。例えば、ノイズがどこから来ているのかを特定するために、解析が実施され得る。このタイプの解析は、デバイスの試験において実施され得る。例えば、ジェットエンジンなどの航空機エンジンのノイズデータが収集され得る。
ジェットエンジン内外のいかなるコンポーネントがノイズに寄与しているかを判断するために、収集されたノイズデータが解析され得る。これら種々のコンポーネントは、コンポーネントノイズソースとも称され得る。ジェットエンジンやジェットエンジンによって発生するジェット排気における、種々の構造物や物理的要素が、様々な周波数で様々なノイズに寄与し得、これらは例えば、ジェットエンジンのダクトや吸気口の種々の表面、及び高速排気フローを含む。
ノイズデータを解析するための従来のシステム及び方法は何らかの有益な情報をもたらすが、複数のフェーズアレイポジションで取得され収集されたフェーズドアレイデータから、ノイズサブコンポーネントスペクトルを抽出し、そのようなデータを任意の利用可能な関心対象の空間的位置に投影(project)できるものはない。加えて、様々なソース位置の決定に基づいて、周波数及び指向性に対するサブコンポーネントソースの位置の変動を提供できるものはない。
従って、上述の従来システム及び方法の欠点を克服するシステム及び方法に対する需要がある。
一態様によれば、被験デバイスの少なくとも1つの特性を判断するシステムである。音センサの第1のアレイがプラットフォーム上に設置される。音センサの第2のアレイは、離間された固定位置に設置された音センサを含む。処理システムは、センサの第1のアレイ内の音センサからの第1の情報、及び、音センサの第2のアレイからの第2の情報を処理する。処理システムは、複数の所定の点に対して、第1の情報及び第2の情報を収集し記憶し、第1の情報を空間フィルタリングし、フィルタされた第1の情報を、第2の情報に基づいて処理し次いで較正し、更に、較正された第1の情報を処理して、選択された位置における特性を取得するように構成される。
更なる一実施形態で、プラットフォームは、被験デバイスに対する開始ポジションから、被験デバイスに対する終了ポジションまで可動である。更に、離間された固定位置は、被験デバイスに対する位置である。最後に、処理システムは更に、音センサの第1のアレイが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、複数の所定の点に対して、第1の情報及び第2の情報を収集し記憶するように構成される。
更に別の実施形態で、プラットフォームは固定され、処理システムは、被験デバイスが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報及び第2の情報を収集し記憶するように構成される。
処理システムは更に、処理され較正された第1の情報から、ソース位置情報を抽出するように構成され得る。第1のアレイは、適応開口プレーナアレイ(adaptable aperture planar array)であり得る。第2のアレイは、第2のアレイ内の各音センサが被験デバイスの近傍に位置する原点から等間隔で離間された、ポーラー(polar)アレイであり得る。第1の情報を処理することは、有用な周波数レンジ及び有用な第1のアレイポジションを判断することを含み得る。第1の情報を処理することは、距離、大気吸収、圧力倍加(pressure doubling)、及びせん断層屈折効果のうちの少なくとも1つに対して補正を行うことを含み得る。第1の情報を処理することは、フィルタされた第1の情報が投影され得る空間を決定することを含み得る。第1の情報を処理することは、フィルタされた第1の情報内の各点に対して、ノイズソース指向特性を判断することを含み得る。
別の態様によれば、被験デバイスの少なくとも1つの特性を決定するための、コンピュータに実装される方法である。第1の情報が、音センサの第1のアレイから収集され記憶され、第1のアレイはプラットフォーム上に設置される。第2の情報が、音センサの第2のアレイから収集され記憶され、第2のアレイ内の音センサの各々は、離間された固定位置に設置され得る。第1の情報及び第2の情報は、複数の所定の点に対して収集され記憶される。次に、第1の情報が空間フィルタリングされる。フィルタされた第1の情報は、第2の情報に基づいて処理され較正される。最後に、較正された第1の情報は処理され、選択された位置における特性が取得される。
更なる一実施形態で、プラットフォームは、被験デバイスに対する開始ポジションから、被験デバイスに対する終了ポジションまで可動であり、離間された固定位置は、被験デバイスに対する位置である。加えて、音センサの第1のアレイが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、複数の所定の点に対して、第1の情報及び第2の情報が収集され記憶される。
更に別の実施形態で、プラットフォームは固定され、被験デバイスが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報及び第2の情報は収集され記憶される。
更なる態様では、音ソースの少なくとも1つの特性を判断するための、コンピュータで利用可能なプログラムコードを記憶している、非一時的コンピュータ可読記憶媒体である。ノイズソースに対する開始ポジションからノイズソースに対する終了ポジションまで可動なプラットフォーム上に設置される、音センサの第1のアレイからの、第1の情報と、その各々がノイズソースに対する離間された固定位置に設置される、音センサの第2のアレイからの第2の情報とを、収集し記憶するためのプログラムコードが提供され、第1の情報及び第2の情報は、音センサの第1のアレイが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、複数の所定の点に対して、収集され記憶される。プログラムコードはまた、第1の情報を空間フィルタリングするために提供される。プログラムコードはまた、フィルタされた第1の情報を、第2の情報に基づいて処理し次いで較正するために提供される。最後に、プログラムコードは、較正された第1の情報を更に処理して、選択された位置における特性を取得するために提供される。
更なる一実施形態で、プラットフォームは、被験デバイスに対する開始ポジションから被験デバイスに対する終了ポジションまで可動である。離間された固定位置は、被験デバイスに対しする位置である。最後に、収集し記憶するためのプログラムコードはまた、音センサの第1のアレイが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、複数の所定の点に対して、第1の情報及び第2の情報を収集し記憶する。
更に別の実施形態で、プラットフォームは固定され、収集し記憶するためのプログラムコードはまた、被験デバイスが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報及び第2の情報を収集し記憶する。
上述の特徴、機能及び利点は、様々な実施形態において独立に実現することが可能であり、また別の実施形態において組み合わせることも可能である。これらの実施形態について、以下の説明および添付図面を参照して更に詳細に説明する。
更に、本開示は下記の条項に従う実施形態を含む。
条項1
被験デバイスの少なくとも1つの特性を決定するシステムであって、
プラットフォーム上に設置される、音センサの第1のアレイ
各々が、離間された固定位置に設置される、音センサの第2のアレイ、及び
音センサの第1のアレイ内の音センサからの第1の情報と、音センサの第2のアレイからの第2の情報とを処理するための、処理システムであって、第1の情報及び第2の情報を、複数の所定の点に対して収集し記憶し、フィルタされた第1の情報を作成するために、第1の情報を空間フィルタリングし、フィルタされた第1の情報を、第2の情報に基づいて処理し次いで較正し、選択された位置における特性を取得するために、較正された第1の情報を更に処理するように構成される、処理システム
を備える、システム。
条項2
プラットフォームは、被験デバイスに対する開始ポジションから被験デバイスに対する終了ポジションまで可動であり、離間された固定位置は被験デバイスに対する位置であり、処理システムは更に、音センサの第1のアレイが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報と第2の情報とを、複数の所定の点に対して収集し記憶するように構成される、条項1に記載のシステム。
条項3
プラットフォームは固定され、処理システムは、被験デバイスが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報及び第2の情報を収集し記憶するように構成される、条項1に記載のシステム。
条項4
処理システムは更に、処理され較正された第1の情報から、ソース位置情報を抽出するように構成され得る、条項1に記載のシステム。
条項5
第1のアレイは適応開口アレイである、条項1に記載のシステム。
条項6
第2のアレイは、各音センサが被験デバイスの近傍に位置する原点から等間隔で離間された、ポーラーアレイである、条項2に記載のシステム。
条項7
第1の情報を処理することは、有用な周波数レンジ及び有用な第1のアレイポジションを決定することを含む、条項1に記載のシステム。
条項8
第1の情報を処理することは、距離、大気吸収、圧力倍加、及びせん断層屈折効果、のうちの少なくとも1つに対して補正を行うことを含む、条項1に記載のシステム。
条項9
第1の情報を処理することは、フィルタされた第1の情報が投影され得る空間を決定することを含む、条項1に記載のシステム。
条項10
第1の情報を処理することは、フィルタされた第1の情報内の各点に対して、ノイズソース指向特性を判断することを含む、条項1に記載のシステム。
条項11
被験デバイスの少なくとも1つの特性を決定するための、コンピュータに実装される方法であって、
プラットフォーム上に設置される、音センサの第1のアレイからの第1の情報と、各々が離間された固定位置に設置される、音センサの第2のアレイからの第2の情報とを、収集し記憶するステップであって、第1の情報及び第2の情報は、複数の所定の点に対して収集され記憶される、ステップ、
フィルタされた第1の情報を作成するために、第1の情報を空間フィルタリングするステップ、
第2の情報に基づいて、フィルタされた第1の情報を処理し次いで較正するステップ、並びに
選択された位置における特性を取得するために、較正された第1の情報更に処理するステップ
を含む、方法。
条項12
プラットフォームは、被験デバイスに対する開始ポジションから被験デバイスに対する終了ポジションまで可動であり、離間された固定位置は被験デバイスに対する位置であり、収集し記憶するステップは、音センサの第1のアレイが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報と第2の情報とを、複数の所定の点に対して収集し記憶する、条項11に記載の方法。
条項13
プラットフォームは固定され、収集し記憶するステップは、被験デバイスが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報及び第2の情報を収集し記憶する、条項11に記載の方法。
条項14
処理され較正された第1の情報から、ソース位置情報を抽出するステップを更に含む、条項11に記載の方法。
条項15
第1の情報を処理するステップは、有用な周波数レンジ及び有用な第1のアレイポジションを判断することを含む、条項11に記載の方法。
条項16
第1の情報を処理するステップは、距離、大気吸収、圧力倍加、及びせん断層屈折効果、のうちの少なくとも1つに対して補正を行うステップを含む、条項11に記載の方法。
条項17
第1の情報を処理するステップは、フィルタされた第1の情報が投影され得る空間を決定するステップを含む、条項11に記載の方法。
条項18
音ソースの少なくとも1つの特性を判断するための、コンピュータで利用可能なプログラムコードを記憶している、非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、
プラットフォーム上に設置される、音センサの第1のアレイからの第1の情報と、各々が離間された固定位置に設置される、音センサの第2のアレイからの第2の情報とを、収集し記憶するためのプログラムコードであって、第1の情報及び第2の情報は、複数の所定の点に対して収集され記憶される、プログラムコード、
フィルタされた第1の情報を作成するために、第1の情報を空間フィルタリングするためのプログラムコード、
第2の情報に基づいて、フィルタされた第1の情報を処理し次いで較正するためのプログラムコード、並びに
選択された位置における特性を取得するために、較正された第1の情報を更に処理するためのプログラムコード
を含む、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
条項19
プラットフォームは、被験デバイスに対する開始ポジションから被験デバイスに対する終了ポジションまで可動であり、離間された固定位置は被験デバイスに対する位置であり、収集し記憶するためのプログラムコードは、音センサの第1のアレイが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報と第2の情報とを、複数の所定の点に対して収集し記憶する、条項18に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
条項20
プラットフォームは固定され、収集し記憶するためのプログラムコードは、被験デバイスが開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、第1の情報及び第2の情報を収集し記憶する、条項18に記載の非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
下記の詳細な説明は、例示目的で提供され、本開示をこれらのみに限定する意図はなく、添付の図面を組み合わせることにより最もよく理解されるであろう。
本開示と組み合わせて使用されるノイズソース試験システムのブロック図である。 本開示と組み合わせて用いられる、図1Aに示す処理システムのブロック図である。 本開示と組み合わせて使用されるノイズソース試験システムの構成を示す図である。 本開示による、現時点で好ましい方法のフロー図である。 本開示による現時点で好ましい方法を説明するのに使用される、試験データのビームフォームマップである。 図4Aに示すデータのデコンボリュージョン(逆畳み込み)後の、未補正データのビームフォームマップである。 図4Bに示すビームフォームマップの、データのデコンボリュージョン後の補正済みデータによるバージョンである。 本開示の現時点で好ましい方法による、収集されたデータのための有効な投影空間を示すのに用いられる、試験環境の俯瞰図である。 本開示の現時点で好ましい方法による、収集されたデータのための有効な投影空間を示すのに用いられる、試験環境の俯瞰図である。 本開示の現時点で好ましい方法による、各グリッド点においてソースレベルがどのように取得されるかを示すのに使用される、ノイズ指向性チャートである。 本開示の現時点で好ましい方法による、各グリッド点においてソースレベルがどのように取得されるかを示すのに使用される、ノイズ指向性チャートである。 図6A及び図6Bの両方からの情報を含む、複合ノイズ指向性チャートである。 本開示の現時点で好ましい方法による、較正されたデータがどのように所望の位置に投影されるかを示す図である。 ビームフォームマップ内の3つの異なる区域からのノイズ分布を示すプロットである。 補正済みデータを使用した、ビームフォームマップについての周波数に対するソース位置の変動を示すプロットである。 ビームフォームマップ内の3つの異なる区域についての周波数に対するソース位置の変動を示すプロットである。
本開示において、全ての図面において類似の参照番号は類似の要素を表し、これら図面は本開示の様々な例示的実施形態を示す。
図1Aを参照すると、被験デバイスサブコンポーネントノイズソースを分離するためのフェーズドアレイ解析に有用な、ノイズ収集及び解析システム100が示される。
システム100において、被験デバイス101は、音センサのフェーズドアレイ102と音センサのファーフィールド(且つ、例示的実施形態ではポーラー)アレイ103との両方によって検知される、ノイズ(参照番号106で示す)を放出する。フェーズドアレイ102及びファーフィールドアレイ103は、図3に関連して後述される。処理システム104は、フェーズドアレイ102及びファーフィールドアレイ103から信号を受信し、ユーザインターフェース105(例えば、キーボード、マウス、及びビデオディスプレイ)を介したユーザ制御下で、本明細書に記載の方法に従ってそれら信号を処理する。当業者が容易に理解するように、処理システム104が各音センサからの信号をデジタル化するか、又は、それら信号がアレイ102、103でローカルにデジタル化されてデジタル信号として処理システム104へ供給され得る。各アレイ102、103内の音センサは、マイクロフォン、ハイドロフォン、レーザセンサ、及び地震計を含むがこれらに限定されない、音を検知するための任意の適切なセンサであり得る。
図1Bに示すように、処理システム104は、アレイ102、103によって検知されたノイズ信号を処理するための、従来型のコンピューティングシステムであり得、例えば、プロセッサ110、メモリユニット111、RAM/ROM112、入力インターフェース113、及び入出力インターフェース114を含んでよく、これらはすべてバス115を介して接続され得る。当業者が容易に認識するように、他の多くのコンピュータアーキテクチャが、図1Bに示すアーキテクチャに代わり同等の結果をもたらす。具体的には、処理システム104は、メモリユニット111に記憶されて、RAM/ROM112に記憶されたビルトインオペレーティングシステム(BIOS)を介して起動時にロードされる、オペレーティングシステムのもとで動作する。オペレーティングシステムは、(少なくとも部分的に、キーボード、インターフェース、マウスインターフェース、及びビデオディスプレイインターフェースで構成され得る)入出力インターフェース114を介して、ユーザインターフェースを提供し得る。好ましくは、ユーザインターフェースはグラフィカルユーザインターフェース(GUI)である。オペレーティングシステムは、メモリユニット111に記憶されたコンピュータプログラムが、ユーザ制御下で実行されることを可能にする。入力インターフェース113は、音センサのフェーズドアレイ102とファーフィールドアレイ103とに接続され、アレイ102、103内の音センサの各々で検知された音信号に対応するデジタル信号を生成するために、適切なアナログ−デジタルコンバータを含み得る。上述のように、代替例では、アナログ−デジタル変換は102及び103の各アレイでローカルに行われ、入力インターフェースは、代替的に、アナログ信号ではなくデジタル信号を受信するように構成され得る。処理システム104は、好ましくは、メモリユニット111に記憶された一又は複数のコンピュータプログラムを含み、これらはユーザ制御下で、後述する図3の方法を実施する。
ここで図2を参照すると、試験システムレイアウト200の俯瞰図が示される。具体的には、原線205の途中に位置決めされた基準点201に、被験デバイスのキーポイントが位置決めされる。被験デバイスのキーポイントは、例えば、航空機エンジンのプライマリノズル出口であり得る。フェーズドアレイ102は(例えばライン206に沿って)可動であり、(点線203で示す50oの角度の)初期ポジション及び(点線204で示す150oの角度の)最終ポジションが、図2に示されている。後述するように、試験中、フェーズドアレイ102がライン206に沿って横断するにつれて、ノイズデータが離散点(例えば、10oステップ)で収集される。フェーズドアレイ102は、垂直プレーナアレイ上に設置された複数の音センサからなり、同一出願人による米国特許第8,009,507B2号(「507特許」)に記載の適応開口プレーナアレイである。フェーズドアレイ102の構成とその動作は「507特許」に記載されており、本明細書では繰り返さない。フェーズドアレイ102に設置された音センサは入れ子状パターン(nested pattern)を有し、各入れ子状アレイのパターン生成は、同一出願人による米国特許第6,583,768号に記載されている。ファーフィールドアレイ103は一連の音センサ211〜221からなり、これらの各々は、一実施形態で、基準点201から等距離に、基準点201に対して(図2に示すように)50o〜150oの角度で位置決めされ得る。プライマリノズル出口が基準点201に位置決めされた航空機エンジンによって放出されるノイズの試験時、各音センサは、基準点201から25フィートで位置決めされ得る。代替的実施形態では、ファーフィールドアレイ103内の音センサ211〜221は、例えば、ライン206に平行なラインに沿って、或いはその他の正常に動作するような(well−behaved)空間曲線に沿った他の構成で位置決めされ得る。別の代替的実施形態では、フェーズドアレイ102内に埋め込まれた音センサが、較正に使用され得る。図2に示す試験セットアップは、フェーズドアレイ102及びファーフィールドアレイ103に対して50o〜150oの角度レンジを示しているが、このレンジは、例えば、被験デバイス及び試験に利用可能な空間に応じて増減され得、依然として容認可能な結果をもたらす。例示的実施形態で、フェーズドアレイ102が10oステップで移動するにつれ、データは離散点で収集される。また、データは、フェーズドアレイ102と被験デバイスとの間に風洞せん断層が存在し得るオープンジェット施設を含む、様々な施設で取得され得る。当業者には馴染みのある方法を用いた形態で、せん断層に起因する音の屈折や減衰に対する適切な補正が適用され得る。更に、幾つかの状況では、フライオーバー(flyover)試験において起こり得るように、フェーズドアレイ102が定位置に固定され、代わりに被験デバイスが(例えばライン205に沿って)移動され得る。
「507特許」でより詳細に示すように、一実施形態では、フェーズドアレイ102は様々なサイズの4つのサブアレイに分配された416個の音センサから構成され得、サブアレイは、関心対象の複数の周波数レンジについて重複するカバレッジを提供する。4つのサイズは、スモール(S)、ミディアム(M)、ラージ(L)、及びエクストララージ(XL)とも称され、これらのベースラインサブアレイはそれぞれ、170、199、110、及び170個の音センサを含み得る。水平/垂直サブアレイ開口は、概ね、12インチ×9インチ(S)、26.2インチ×19.8インチ(M)、57.6インチ×43.6インチ(L)、及び126インチ×95.6インチ(XL)のサイズであり得る。アレイによって対応可能な忠実度で測定を行うのに求められる、音センサの総計を減らすために、様々なサブアレイ間の音センサの共有が利用され得る。
ここで図3を参照すると、本開示の方法を実施するためのフローチャート300が示される。まずステップ301で、上述のように、ノイズ試験中、フェーズドアレイ102の各位置に対して、すべての各音センサでデータが収集される。具体的には、「507特許」により詳細に記載されているように、一実施形態で、フェーズドアレイ102が離散的ステップで移動される。例えば、第1の位置(例えば基準点201に対して50oの位置)から、第2の位置(例えば基準点201に対して150oの位置)まで10oステップで移動される(図2に示すように、典型的には、角度はフェーズドアレイ102の中心に対して測定される)。データはメモリに記憶され、フェーズドアレイ102内の音センサからのデータは、まず時系列(time series)として記憶され、次いでクロススペクトルマトリクス(CSM)へと処理されて記憶される。別の実施形態で(例えばフライオーバー試験において)、被験デバイスがフェーズドアレイ102に対して湾曲した経路に沿って移動する間、フェーズドアレイ102及び音センサ211〜221は固定的に保持される。
ステップ302で、所与の構成、条件、及びフェーズドアレイ位置に対して、従来型の周波数ドメイン遅延及び加算ビームフォーミング(空間フィルタリング)が各フェーズドアレイデータCSMに適用される。フライオーバー試験に対しては、移動しているソースを考慮するために、逆ドップラー変換(DeDopplerization)を伴う時間ドメイン遅延及び加算ビームフォーミングが使用される。図4Aは、静止した被験デバイスについての、21kHz(モデルスケール周波数)におけるθ=90oのフェーズドアレイ位置に対する、従来型ビームフォーミングマップ400のサンプルを示す。マップ400は、ノズル404の出口における明確に画定されたノイズソース領域401と、2つの下流ノイズソース402、403を示す。マップ400は、生の未補正のノイズソースマップデータ(即ち、フェーズドアレイ102において見られるレベルであって特定のノイズソースにおける実際のレベルではなく、且つ距離や大気吸収に対する補正がされていない)を示す。参照番号405(「+」印)は、マップ400における、ピークレベルが発生する位置を表す。このピークレベルは最下流ノイズソースに関連付けられる。上流ノズル出口領域におけるピークレベルは、最大ピークレベルよりも0.07dBのみ低い。これは、マップ400における最大ピークレベルに基づいてソース位置が測定される場合、上流ノイズソースと下流ノイズソースとの間でわずかでもレベルが動揺する場合、周波数に対して、ピークソース位置の非常に広い偏位があり得るということを意味する。
次に、ステップ303で、適切な方法を用いて従来型ビームフォーミングデータがデコンボリュージョン(逆畳み込み)される。当業者が容易に認識するように、この処理には幾つかの従来型デコンボリュージョン方法が利用可能である。図4Bは、処理のためにマップピークを下回る9dBのカットオフ閾値に基づく、デコンボリュージョンされたビームフォーミングデータを示す。図4Bから明らかなように、図4Aに見られるノイズサブコンポーネント領域が、参照番号406、407、408に示すように、ここで明確に分離されている。ピークノイズレベル(参照番号406)がノズル404出口近くに位置することに留意されたい。後述のように、この周波数は、支配的なノイズソースの遷移が、下流(ノイズソース)支配から上流(ノズル出口)支配となるまでの、周波数レンジ内にある。
ステップ304で、各フェーズドアレイサブアレイに対する有用な周波数レンジ及び放出角が算出される。フェーズドアレイは、特定のより低い周波数未満では不十分な空間分解能を有し得る一方、特定のより高い周波数を上回る周波数では、アレイ間の相関除去効果(decorrelation effects)によって及び/又はノイズソース指向性効果によって、アレイデータの品質は劣化し始め且つ劣化し続け得る。実際、有用な周波数レンジ及び放出角は、ビームフォームマップのノイズソースが十分に測定され(明確に位置特定され)、且つ、アレイ処理によって生ずるノイズに関連しない不自然な結果をマップが含まないような、周波数及び角度で構成される。解析に用いる有用なレンジの選択において、特定の解析においてすべての角度に亘り使用するために、周波数の同じ組が要求され得る。これは、角度パラメータ及び周波数パラメータ間のトレードオフに繋がる。ある解析において最大周波数カバレッジが必要である場合、ユーザは角度レンジを絞り込む(down−select)必要があり得る。一方、ある解析において最大角度カバレッジが望ましい場合、特定のアレイに対して周波数レンジを減らす必要があり得る。
ステップ305で、少なくとも距離、大気吸収損失、圧力倍加、及びせん断層屈折効果に対する補正が、デコンボリュージョンされたデータに適用され得る。上述のように、図4A及び4Bに示すビームフォームマップデータは、フェーズドアレイ102において測定されたレベルで構成され、これらの測定されたレベルには、フェーズドアレイ102のプレート面における、距離、大気吸収損失、圧力倍加又はせん断層屈折効果に対する補正がなされていない。具体的には、ステップ305で、1フィート無損失値へと距離が補正される。図4Cは、ステップ305における補正後の図4Bレベルを示す。補正後、好ましくは、適切なフェーズドアレイ周波数ビンを合計することによって、狭帯域データが1/3オクターブ帯域レベルに下げられるが、他の帯域の決定(即ち1/nオクターブ帯域又は狭帯域)が正規化用に選択され得ることを、当業者は容易に認識するであろう。
次にステップ306で、ノイズサブコンポーネントデータが較正されて投影され得る空間が決定される。これには、全周波数に亘る最下流及び最上流ソース位置を決定するために、補正済みノイズマップデータをスキャンすることが要求される。図 5Aは、50oから150oに及ぶ、ファーフィールドアレイ103内の音センサ211〜221の、試験施設内の位置の俯瞰概略図500、並びに、60o(参照番号512)から150o(参照番号513)に及ぶ、フェーズドアレイ102の中心位置を示す。線515は、フェーズドアレイ102のすべての角度及び周波数に亘りノイズソースが存在する、全レンジを表す。図示のように、最下流ソース516は約x=145インチである。線518は、ソース516を、最上流フェーズドアレイ位置512に接続する。線518は、図2の50o点を用いるとファーフィールドアレイ102の範囲外(即ち音センサ211のあまりにも上流)に伸び得るので、図2に示す50o点ではなく位置512が最上流位置である。同様に、線519はソース516を、最下流フェーズドアレイ位置513に接続する。従って、(フェーズドアレイ角度に対する)ソース516におけるソースレベルは、線518、519によって境界付けられた内角に亘ってのみ測定される。同様に、線520、521は、最上流ソース517におけるソースレベルが測定され得る境界を表す。これら2つの組に含まれる角度レンジの重なり部分は、図5Bの影付き領域530で示される。従って、領域530は、ソース516とソース517との間にあるすべてのソース点がすべてのフェーズドアレイ位置によって完全に測定される空間を画定する。この領域530の外側で、ソース516とソース517との間のノイズレベルは、部分的にのみ(即ち不完全に)測定され得るか、或いは全く測定されず、従って、それらの解析用の利用を除外する。領域530は、フェーズドアレイデータが投影され得る位置に対応し、フェーズドアレイ102からのデータの較正に音センサ211〜221の何れが使用され得るかを特定する。即ち、領域530内の音センサ、即ち音センサ213〜220のみが使用され得る。
ステップ307で、ノイズソースの指向性は、各周波数についてビームフォーミンググリッド上の各点で抽出される。図6Aは、フェーズドアレイ信号レベルの抽出に繋がる重要な特徴を示す、試験施設600の俯瞰プロットである。図6Aは、50°から150°の、ポーラーアレイ103内の音センサ211〜221に対する位置、延長されたノイズソースを伴うビームフォームマップ610、及び、被験ノズルの輪郭404を含む(ビームフォームマップ610は例示目的で故意に拡大されている)。50°〜150°のフェーズドアレイ測定位置621〜631における、フェーズドアレイ102の位置も示され、長方形632、633、634は、それぞれ50°、90°、及び150°のフェーズドアレイ位置におけるフェーズドアレイ102のポジションを示している。ポーラーアレイ103及びフェーズドアレイ102の共通の原点640は、ノズル中心線616上の、ノズル404のプライマリノズル出口にある。音線(ray)661は、グリッド点641から50°のフェーズドアレイ632の位置621を通って伝播し、中心線616に対して角度β650をなす。角度β650は、グリッド点641がポーラーアレイ原点640から下流にずれているので、50°の測定値を有さない。音線661に沿ったノイズレベルは、ポーラープロット(極座標プロット)のドット671で示されている。このレベルは、フェーズドアレイ102によって測定されたレベルに対応する。ステップ307中、すべてのフェーズドアレイポジションに亘りこの処理が繰り返され、破線曲線675に示すように、関心対象のグリッド点におけるノイズ指向性が測定される。
図6Bは図6Aと同等の図像を示すが、グリッド点685がビームフォームマップ610内の更に下流に位置している。この場合、指向性は(破線曲線680に示すように)、フェーズドアレイ102の位置の大部分に亘り密にサンプリングされているが、130°、140°、及び150°のフェーズドアレイ位置629、630、631の測定で大幅に疎になっており、フェーズドアレイ測定値が、等角度ではなく、アレイの横断方向に沿って等間隔で、取得されるべきであることを示唆している。ノイズレベルを種々の空間的位置に投影する際、ノイズレベル指向性曲線の補間が用いられるので、このことは重要である。
ステップ308で、各グリッド点における周波数データは、ポーラーアレイ103の音センサ211〜221からの対応する周波数データを用いて較正される。典型的には、フェーズドアレイ周波数データの内容は、狭帯域又は1/nオクターブ帯域であることに留意されたい。フェーズドアレイデータの従来型ビームフォーミングの標準的な実施は、クロススペクトルマトリクス(CSM)の対角成分を、CSMの各列に亘った平均値で置換すること、或いはそれらの対角成分を消去することによって行うが典型的である。これらの方法でのCSM対角成分の置換は、ビームフォームマップ内のノイズソース位置特定クオリティを大幅に改善する。しかしながら、この修正は、結果としてデータ内のエネルギーバランスの変更をもたらす。即ち、従来のビームフォーミング出力レベルが影響を受ける。この影響やその他のアレイ処理による影響によって、フェーズドアレイデータは、ノイズソースレベルの正確な投影を可能にするために、較正されねばならない。較正は、ポーラーマイクロフォンスペクトルを用いて達成される。図7は図6A及び6Bの複合であり、ステップ307で生成されたポーラープロット曲線675、680を示す。ビームフォームマップ610に示すノイズレベルの輪郭が、試験環境内のすべてのノイズソースを含む(即ち、ビームフォーミンググリッド外には有意義なノイズソースがない)との仮定に基づいて、ポーラーアレイ103内の所与の音センサ、例えば音センサ214に対して、上流グリッド点641におけるノイズソースは音線経路720に沿って音センサ214へ伝播する。音線経路720は、測定された点(点721及び点722)間でノイズ指向性曲線675を通過する。グリッド点641におけるノイズレベルを音センサ214に投影するためには、ノイズレベルが(点705での投影レベル値を取得するために)指向性曲線675を用いて補間される必要がある。次いで、距離及び大気吸収に対する補正を適用することにより、この補間された値が音センサ214に投影される。同様に、下流グリッド点685において、位置685におけるノイズソースは、音線730に沿って音センサ214に投影し、ノイズレベル投影を目的として、同じように測定点(点731及び732)から点710への補間を要する。次いで、これら2つのグリッド点641、685から音センサ214で測定されたレベルのトータルノイズ寄与を得るために、これらのグリッド点641、685からの投影されたレベルが加算される。この補間、投影及び加算処理は、残ったすべてのグリッド点に対して繰り返され、従って、すべてのグリッド点からの音センサ214へのトータルノイズ寄与が計算される。理論上、トータル(加算された)値は、関心対象の周波数において音センサ214によって測定されたスペクトルレベルと、完全に等しい。しかしながら、実際には、CSMの対角成分の修正やアレイ処理効果によって、必ずしもそうではない。従って、較正値は、音センサ214における実際のレベルと、複数のグリッド点におけるフェーズドアレイレベルの音センサ214への投影から得られた加算されたレベルとの間の、差分として定義されねばならない。次いで、この較正値は、ビームフォームマップ610内のすべてのグリッドスペクトル値に、グリッド点を音センサ214に接続している音線経路の逆方向(例えば線720、730)に沿って、直接的に逆適用される。この処理により、図7の各ポーラープロット760、770のドット740、750で示す、較正された指向性レベルが得られる。この処理は、音センサ211〜221のうちの、(ステップ306で決定された)すべての有効な音センサに対して(図5Bは、音センサ213〜220のみが有効データを有することを示す)繰り返され、各グリッド点における較正済みノイズレベルの完全な組が得られる。利便性のため、適切な大気吸収補正及び距離補正を適用することにより、較正済みレベルは1フィート無損失距離まで補正されることが好ましい。このような補正を適用することにより、ステップ306で決定されるように、有効投影空間の制約に依存して、較正済みノイズレベルを任意の所望の空間的位置に投影しやすくなる。
ステップ309で、較正済みデータが所望の位置に投影される。較正済みデータを投影する処理は、図8に示すように、先述した較正工程と類似する。図8で、点800は所望の投影点を示す。上流グリッド点641における較正済みの1フィート無損失指向性データ(曲線810から得られる)が用いられて、音線830が曲線810を横切る点に対応する、補間値が取得される。音線830はグリッド点641から点800まで投影し、大気吸収損失及び距離に対してそのレベルが補正されている。同様に、下流グリッド点685における較正済みの1フィート無損失指向性データ(曲線820から得られる)が用いられて、音線835が曲線820を横切る点に対応する、補間値が取得される。音線830はグリッド点685から点800まで投影し、大気吸収損失及び距離に対してそのレベルが補正されている。この処理は、ビームフォームマップ610内の残ったすべてのグリッド点に対して適用され、すべてのそのようなグリッド点からの投影されたレベルの完全な組がもたらされ、次いでこれらは加算されて、点800におけるトータルノイズレベルが計算される。
ノイズソース解析において特に関心が高いのは、様々なサブコンポーネント領域の、ノイズレベル全体に対する寄与レベルの判断である。図9のビームフォームマップ610から、この特定の周波数において、ゾーン1(905)、ゾーン2(910)、及びゾーン3(915)で示す3つの顕著なノイズソースが存在することに留意されたい。ゾーン1(905)は、ノズル出口付近のノイズに対応し、高周波数において支配的であることが分かる一方、ゾーン2(910)及びゾーン3(915)は、例えば低周波数で支配的なジェット混合ノイズを含む、残りの(下流)ノイズソースを捕捉している。これらの各ゾーンからのノイズレベルを、90oポーラーアレイ音センサの位置に(別個に)投影することが望ましい。各ゾーン905、910、915からのノイズ寄与の判断は、トータルレベルを判断するための上述と同じ工程に従うが、所与のゾーン内からのみレベルを投影する。得られたスペクトルが、図9のラインプロット900に示される。曲線920はトータル投影レベルに対応し、フェーズドアレイ102のレベルがポーラーアレイ103のレベルに較正されたので、トータル投影レベルはデフォルトではポーラーアレイ103レベルと同じである。ゾーン1(905)のノズルレベル(サブコンポーネントスペクトル)は図9の曲線906に対応し、まず帯域43で測定可能であり、帯域45まで連続的にレベルが増加し、これを超えるとこれらは本質的にトータルレベルと同じである(即ち、ノズルノイズソースは帯域45で始まるノイズフィールドを完全に支配する)。このノイズフィールドの下流端で、ゾーン3(915)のノズルレベル(サブコンポーネントスペクトル)は曲線916に対応し、これは、完全に帯域40及び41に対してノイズ寄与を支配し、次いで、ノイズソースの影響がゾーン2(910)内で増大することに初期には起因して、(トータルに対する寄与という意味において)連続的に減少する(ゾーン2のノズルレベル(サブコンポーネントスペクトル)は帯域43においてピーク寄与を有する曲線911に対応する)。図9は、3つのゾーン905、910、915におけるノイズソースに起因して、ノイズ寄与のバランスが周波数に対してどのように変動するかを明確に示し、各ノイズソースが支配する周波数を捕捉している。
ステップ310で、ユーザが決定したゾーンに対してソース位置が抽出される。ノイズサブコンポーネントレベルを種々の空間的位置に投影できることに加え、支配的ノイズソースの位置がどのように空間的に変動するかを知ることに対する需要がある。図10は、ビームフォームマップ610について周波数に対するソース位置の変動を示すプロット1000を含む。水平軸が、コアノズル出口位置(xcore)からの距離(x)及びファンノズル出口径(Dfan)に関して正規化されていることに留意されたい。ソース位置の決定には様々なオプションが利用可能である。1つの決定は、ノイズマップ上の(所与の周波数における)最高レベルが発生する位置を決定することであり、最高レベルが発生する位置は、即ち、対周波数のピークレベル位置(グローバルピーク)である。これはプロット1000内の曲線1010で示されている。より低い周波数では、支配的ノイズソースは、プライマリノズル出口からの約5ファンノズル径、下流であり、高周波数の支配的ノイズソースは、プライマリノズル出口のすぐ下流に集中している。曲線1010において帯域44で明確な遷移が発生しており、この下では下流ノイズソースが支配し、これより上ではノズル出口ソースが支配している。しかしながら、支配的ソース位置の決定にグローバルピークを利用することは、他のノイズソース及びそれらのソース位置算出に対する影響の可能性を考慮していない。この問題に対処するために、第1の代替的ソース位置の決定はむしろ、ノイズソースが存在するすべての位置の平均値を算出する(この場合、レベルが閾値を超えるグリッド点を決定するために、閾値レベルはマップ内のピークレベル未満に設定される)。従って、この決定は、すべてのノイズソースの空間分布を考慮している。このような計算の結果は図10の曲線1020で示されている。第2の代替的なソース位置の決定は、代わって、加重平均を算出することからなり、ここで重み付けのために、各グリッド点におけるノイズレベルが用いられる。これは図10の曲線1030で示されている。まず気づくことは、空間平均(曲線1020)及び加重平均(曲線1030)による決定が、ソース位置対周波数の計算と、比較的類似した計算をもたらすことである(差分はファンの直径の約半分まで変動するとしても、これはフライトに対するソース位置の投影に関しては小さい差分であると見なされる)。空間平均/加重平均に基づく計算(曲線1020及び曲線1030)とグローバルピークレベルに基づく計算(曲線1010)との間では、ソース位置にファンの直径の幾つか分程度の大きな差があり、これは有意であって、フライトに対するソース位置の投影における大きなエラーに繋がり得る。
ソース位置の算出は、上記の3つのゾーンに解析を限定することにより、更に精緻化され得る。ビームフォームマップ610からの較正済みデータに基づいたこのような解析の結果は、図11のプロット1100で示されている。プロット1100は、図10の加重平均算出曲線1030を含む。各ゾーンは各々、ピーク曲線1110a、1110b、1110c、空間平均曲線1120a、1120b、1120c、及び、加重平均曲線1130a、1130b、1130cを含む。完全なマップを考慮する場合、別個のゾーンに減縮することにより、そうでない場合よりも広い周波数レンジに亘るソース位置データが取得できる。例えば、図10で、下流ソース位置は、帯域44及びそれを上回る帯域に対するノズルノイズソースの支配に起因して、帯域43のみに伸びる。しかしながら、特定のゾーンに計算を限定することにより、下流ノイズソース、ゾーン3(915)は、図11の帯域44を上回って伸びていることが見て取れる。同様に、ノズルノイズソース、ゾーン1(905)が更に低い周波数に伸びるように、図11で見て取れる。ゾーン2(910)のソースの中間的な影響も図11で明らかである。ピーク又はソース位置を用いる代わりに、ゾーンを区分けすることにより、個々のソースの各々が有意な寄与を有する(或いは、識別可能なノイズソースとして存在する)、全周波数レンジが見て取れる。
本開示は、好ましい実施形態及びそれらの様々な態様を参照して具体的に示され記載されているが、様々な変更や修正が、本開示の精神及び範囲を逸脱することなくなされ得るということが、当業者には理解されるであろう。添付の特許請求の範囲は、本明細書に記載の実施形態、上述の代替例、及びそれらの等価物を含むものと解釈されるように意図される。
100 システム
102 フェーズドアレイ
104 処理システム
106 ノイズ
115 バス
200 試験システムレイアウト
201 基準点
211、212、213、214、215、216、217、218、219、220、221 音センサ
300 フローチャート
400 ビームフォーミングマップ
401 ノイズソース領域
402、403 下流ノイズソース
404 ノズル
406 ピークノイズレベル
516 最下流ソース
517 最上流ソース
610 ビームフォームマップ
616 ノズル中心線
621、622、623、624、625、626、627、628、629、630、631 フェーズドアレイ測定位置
640 原点
650 角度β
661、730 音線
760、770 ポーラープロット
830 音線
900 ラインプロット
905 ゾーン1
910 ゾーン2
915 ゾーン3
1000 プロット
1100 プロット
1110a、1110b、1110c ピーク曲線
1120a、1120b、1120c 空間平均曲線
1130a、1130b、1130c 加重平均曲線

Claims (13)

  1. 被験デバイス(101)の少なくとも1つの特性を決定するためのシステム(100)であって、
    プラットフォーム上に設置される、音センサの第1のアレイ(102)、
    音センサの各々が離間された固定位置に設置される、音センサの第2のアレイ(103)、及び
    前記音センサの第1のアレイ内の音センサからの第1の情報と、前記音センサの第2のアレイからの第2の情報とを処理するための処理システム(104)であって、前記第1の情報と前記第2の情報とを複数の所定の点に対して収集し記憶し、フィルタされた第1の情報を作成するために前記第1の情報を空間フィルタリングし、前記フィルタされた第1の情報を前記第2の情報に基づいて処理し次いで較正し、選択された位置における特性を取得するために、前記較正された第1の情報を更に処理するように構成される、処理システム(104)
    を備える、システム(100)。
  2. 前記プラットフォームは、前記被験デバイス(101)に対する開始ポジションから前記被験デバイスに対する終了ポジションまで可動であり、前記離間された固定位置は、前記被験デバイスに対する位置であり、前記処理システム(104)は更に、前記音センサの第1のアレイが前記開始ポジションから前記終了ポジションまで移動するにつれて、前記第1の情報と前記第2の情報とを、複数の所定の点に対して収集し記憶するように構成される、請求項1に記載のシステム(100)。
  3. 前記プラットフォームは固定され、前記処理システムは、前記被験デバイスが前記開始ポジションから前記終了ポジションまで移動するにつれて、前記第1の情報と前記第2の情報とを収集し記憶するように構成される、請求項1又は2に記載のシステム。
  4. 前記処理システム(104)は更に、前記処理され較正された第1の情報から、ソース位置情報を抽出するように構成される、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム(100)。
  5. 前記第1のアレイ(102)は適応開口アレイである、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム(100)。
  6. 前記第2のアレイ(301)は、前記第2のアレイ内の各音センサが、前記被験デバイスの近傍に位置する原点から等間隔で離間された、ポーラーアレイである、請求項2から5のいずれか一項に記載のシステム(100)。
  7. 被験デバイス(101)の少なくとも1つの特性を判断するための、コンピュータに実装される方法であって、
    プラットフォーム上に設置される、音センサの第1のアレイ(102)からの第1の情報と、その各々が離間された固定位置に設置される、音センサの第2のアレイ(103)からの第2の情報とを、収集し記憶するステップであって、前記第1の情報及び前記第2の情報は、複数の所定の点に対して収集され記憶される、ステップ、
    フィルタされた第1の情報を作成するために、前記第1の情報を空間フィルタリングするステップ、
    前記第2の情報に基づいて、前記フィルタされた第1の情報を処理し次いで較正するステップ、並びに
    選択された位置における特性を取得するために、前記較正された第1の情報を更に処理するステップ
    を含む、方法。
  8. 前記プラットフォームは、前記被験デバイス(101)に対する開始ポジションから前記被験デバイスに対する終了ポジションまで可動であり、前記離間された固定位置は前記被験デバイスに対する位置であり、前記収集し記憶するステップは、前記音センサの第1のアレイが前記開始ポジションから前記終了ポジションまで移動するにつれて、前記第1の情報と前記第2の情報とを、複数の所定の点に対して収集し記憶する、請求項7に記載の方法。
  9. 前記プラットフォームは固定され、前記収集し記憶するステップは、前記被験デバイス(101)が開始ポジションから終了ポジションまで移動するにつれて、前記第1の情報と前記第2の情報とを収集し記憶する、請求項7又は8に記載の方法。
  10. 前記処理され較正された第1の情報から、ソース位置情報を抽出するステップを更に含む、請求項7から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記第1の情報を処理するステップは、有用な周波数レンジ及び有用な第1のアレイポジションを判断することを含む、請求項7から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記第1の情報を処理するステップは、距離、大気吸収、圧力倍加、及びせん断層屈折効果のうちの少なくとも1つに対して補正を行うことを含む、請求項7から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記第1の情報を処理するステップは、前記フィルタされた第1の情報が投影され得る空間を決定することを含む、請求項7から12のいずれか一項に記載の方法。
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